Ćwiczenie 2 – Badanie wysokonapięciowych układów izolacyjnych napięciem przemiennym

1. Wytworzenie wysokich napięć przemiennych – zespoły probiercze

Wysokie napięcie przemienne wytwarzane jest przy pomocy zespołów probierczych. Elementami

składowymi zespołu probierczego są:

- układ zasilający (źródło napięcia),

- urządzenie regulacyjne,

- transformator probierczy.

Człon zasilający stanowi zwykle jednofazowe źródło niskiego napięcia. Duże moce i niesymetryczne

obciążenie przy małej sztywności źródła stwarzają niekiedy konieczność wykorzystywania specjalnego transformatora zasilającego poprawiającego rozkład obciążeń w poszczególnych fazach.

Urządzenie regulacyjne zapewnia płynną regulację napięcia. Skoki napięcia nie powinny przekraczać 0,5% napięcia probierczego. Przy niewielkich mocach (kilkadziesiąt kVA) zadanie to spełniają autotransformatory lub transformatory regulacyjne ze szczotką przeskakującą ze zwoju na zwój. Przy większych mocach stosowane są transformatory z przesuwnym rdzeniem lub zespoły wirujące (silnik – prądnica synchroniczna z regulacją wzbudzenia). W porównaniu z transformatorem energetycznym, transformator probierczy charakteryzuje się znacznie większą przekładnią i znacznie mniejszą mocą.

1. Narysować schemat układu probierczego i omówić jego elementy

1. Jaką moc można pobierać z zespołu probierczego przy napięciu niższym od napięcia znamionowego?

$$S_{\text{dop}} = S_{n}\frac{U_{\text{pr}}}{U_{n}}$$

gdzie :  S_dop−moc pobierana przy napieciu probierczym,  

S_n−moc znamionowa zespolu probierczego,  

U_pr−napiecie probiercze,  U_n−napiecie znamionowe

1. Jakie są wymagania odnośnie wartości prądu zwarcia w obwodzie probierczym przy napięciu przeskoku lub przebicia?

Przy napięciu przeskoku lub przebicia prąd zwarciowy musi być odpowiednio duży, aby wyładowanie zupełne w badanym obiekcie było wyraźnie zauważalne. Z tego względu prąd ten nie powinien być mniejszy niż 0,1 A przy próbach na sucho i 0,5 A przy próbach na mokro w całym zakresie stosowanych napięć probierczych.

Prąd zwarciowy przy danym napięciu probierczym można obliczyć z wzoru:

$$I_{Z} = \frac{U_{\text{pr}}}{X_{Z}}$$

1. Układy połączeń transformatorów probierczych

1. Omówić zależność przekładni transformatora od obciążenia

Wykonując próby napięciowe należy pamiętać, że przekładnia transformatorów probierczych nie jest

wartością stałą i zależy od obciążenia. Z reguły jest ona większa od przekładni zwojowej, co wynika z pojemnościowego charakteru obciążenia. W związku z powyższym pomiar napięcia probierczego powinien być dokonywany po stronie wtórnej transformatora. Niedopuszczalny jest pomiar po stronie pierwotnej i mnożenie wyniku pomiaru przez przekładnię zwojową. Wyskalowanie woltomierza po stronie niskiego napięcia wartościami napięcia po stronie wtórnej jest możliwe przy przeznaczeniu zespołu probierczego do badania obiektów tego samego typu (o tej samej pojemności).

$$\frac{U_{2}}{U_{1}} = \ \vartheta_{r} = \ \vartheta\frac{1}{1 - \ \frac{S_{c}}{S_{z}}}$$

1. Wymagania stawiane zespołom probierczym

Sinusoidalność napięcia probierczego - wytworzone napięcie probiercze powinno być stabilne i posiadać sinusoidalny kształt. Ocena sinusoidalności napięcia może być przeprowadzona przez pomiar współczynnika szczytu. Warunek sinusoidalności można sformułować następująco:

$$\left| \frac{U_{\max}}{U*\sqrt{2}} - 1 \right|*100\% \leq 5$$

Stabilność napięcia probierczego - Na stabilność napięcia probierczego mogą wpływać:

- zmienny w czasie próby prąd upływu,

- intensywne wyładowania niezupełne.

Dokładność pomiaru- Dokładność ustawienia napięcia probierczego oraz błąd pomiaru powinny być utrzymywane w granicach ±3%.

1. Sposób pomiaru napięcia przemiennego przy pomocy iskiernika kulowego

Napięcie przeskoku iskiernika zależy od średnicy elektrod, ich odstępu, rodzaju i biegunowości mierzonego napięcia, a także czasu przyłożenia napięcia i warunków atmosferycznych. Wartości napięć przeskoku zostały umieszczone w tablicach dla znormalizowanych średnic kul i normalnych warunków atmosferycznych

Zależność napięcia przeskoku od warunków atmosferycznych wymaga wprowadzenia poprawek. Napięcie przeskoku w danych warunkach wynosi

Up = k × Upn ,

gdzie: k - współczynnik zależny od względnej gęstości powietrza d, Upn - napięcie przeskoku w warunkach normalnych.

Iskierniki kulowe mierzą wartość maksymalną napięcia. Napięcia przemienne Up i Upn są zatem wyrażane przez wartości szczytowe

Ćwiczenie 8 – Badanie wysokonapięciowych układów izolacyjnych napięciem piorunowym

1. Sposób określania czasów charakterystycznych udarów napięciowych

Znormalizowany udar łączeniowy charakteryzuje się dłuższymi czasami narastania czoła (T1) i do półszczytu (T2)

1. Zasada działania jednostopniowego generatora udarów

C_g≫C_c R_r≫R_c

Kondensator Cg ładowany jest ze źródła napięcia stałego przez rezystor R0. W miarę wzrostu napięcia

na kondensatorze wzrasta napięcie między kulami iskiernika Is. Gdy zostanie osiągnięte napięcie przeskoku na iskierniku, nastąpi na nim wyładowanie zupełne zwierające kule. Kondensator Cg zacznie się rozładowywać dwiema drogami: jedną – ładując kondensator Cc i pojemność obiektu Cob oraz drugą – przez rezystor Rr. Pojemność obiektu oraz kondensator Cc są małe w porównaniu z Cg, dlatego naładują się one, przez małą rezystancję Rc, w bardzo krótkim czasie kształtując czoło udaru. Proces rozładowania pojemności Cg i Cc przez rezystor Rr trwa dłużej – kształtowany jest grzbiet udaru.

1. Zasada działania układu ucinającego Johnsona

Do wytwarzania udarów uciętych na grzbiecie służą dodatkowe układy dołączane do generatorów udarowych. W iskierniku trójkulowym na kulę środkową podane jest napięcie Ub wytworzone w dodatkowym obwodzie RuCu o znacznie dłuższym czole w porównaniu z udarem piorunowym. Napięcie na przerwie iskrowej a, pomiędzy górną i środkową kulą, wynika z różnicy napięć Uc i Ub

U_a = U_c − U_b

Jeżeli wytrzymałość tej przerwy iskrowej Upa jest większa od Uamax przeskok między tymi kulami nie wystąpi. Natomiast jeśli wystąpi przeskok między środkową i dolną kulą (przerwa iskrowa b), napięcie Ua podskoczy do wartości Uc > Upa i wystąpi natychmiastowy przeskok ucinający udar.

1. Metody pomiaru napięć udarowych

a) metoda iskiernikowa – bezpośredni pomiar wartości szczytowej,

b) metoda oscylograficzna – pomiar amplitudy i parametrów czasowych,

c) metoda miernikowa – mierniki wartości szczytowej z dzielnikiem napięcia,

d) metoda cyfrowa – zapewnia dużą dokładność i automatyzację pomiarów. Stanowisko pomiarowe jest przeważnie skomputeryzowane.

1. Iskiernik kulowy jako przyrząd do pomiaru wartości szczytowej udarów

Metoda pomiaru iskiernikiem kulowym polega na wykorzystaniu praktycznie jednoznacznej zależności pomiędzy napięciem przeskoku a odstępem między kulami iskiernika. Przy pomocy iskiernika kulowego można pomierzyć w sposób bezpośredni wartość szczytową udaru. Wykonanie pomiaru wymaga dopasowania przerwy iskrowej i napięcia. Iskiernikiem nie można zmierzyć pojedynczego udaru. Potrzebna jest długa seria udarów (np. 20).

1. Zasada działania mierników wartości szczytowej

Z części niskonapięciowej dzielnika ładowana jest pojemność przez prostownik. Elementy układu

muszą zapewnić ładowanie tej pojemności do wartości możliwie bliskiej wartości szczytowej udaru. Stała czasowa ładowania powinna być możliwie niska, rezystancja woltomierza i rezystancja wsteczna prostownika – jak najwyższe. Wyłącznik służy do rozładowania kondensatora po dokonaniu odczytu.

Ćwiczenie 9 – Przebiegi falowe w liniach długich

1. Schemat zastępczy linii długiej

1. Wyprowadzić równanie różniczkowe linii długiej i podać jego rozwiązanie

$$\mathbf{u}\left( \mathbf{x,t} \right)\mathbf{=}\mathbf{L}_{\mathbf{0}}\mathbf{x*}\frac{\mathbf{\partial i}\left( \mathbf{x,t} \right)}{\mathbf{\partial t}}\mathbf{+ u}\left( \mathbf{x + x,t} \right)\mathbf{\text{\ \ \ \ \ \ }}$$

$$\mathbf{\text{\ i}}\left( \mathbf{x,t} \right)\mathbf{=}\mathbf{C}_{\mathbf{0}}\mathbf{x*}\frac{\mathbf{\partial u}\left( \mathbf{x + x,t} \right)}{\mathbf{\partial t}}\mathbf{+ i(x + x,t)}$$

$$- \frac{u\left( x + x,t \right) - u\left( x,t \right)}{x} = L_{0}\frac{\partial i\left( x,t \right)}{\partial t}\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }$$

$$- \frac{i\left( x + x,t \right) - i\left( x,t \right)}{x} = C_{0}\frac{\partial u(x + x,t)}{\partial t}$$

$- \frac{\partial u}{\partial x} = L_{0}\frac{\partial i}{\partial t}$ $- \frac{\partial i}{\partial x} = C_{0}\frac{\partial u}{\partial t}$

$$\frac{\partial^{2}u}{\partial x^{2}} = L_{0}C_{0}\frac{\partial^{2}u}{\partial t^{2}}\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }\frac{\partial^{2}i}{\partial x^{2}} = L_{0}C_{0}\frac{\partial^{2}i}{\partial t^{2}}\ $$

u = f₁(x−vt) + f₂(x+vt) = u^′+u’’

$$i = \frac{1}{Z}f_{1}\left( x - vt \right) - \frac{1}{Z}f_{2}\left( x + vt \right) = i^{'} + i''$$

1. Narysować dla fal wędrownych napięcia u’ i u’’ odpowiadające im fale prądu i’ i i’’

1. Omówić przypadek przejścia fali na inną impedancję falową

Rozpatrujemy przypadek, w którym na końcu linii o impedancji Z1 znajduje się linia nieskończenie długa o impedancji Z2. Punkt połączenia dwóch linii (punkt A na rysunku 2) nazywamy punktem węzłowym lub punktem nieciągłości.

Zgodnie z rozwiązaniem równania falowego napięcia i prądy w dowolnych punktach obydwu linii wynoszą:

dla linii Z1 u1 = u1’ + u1”, dla linii Z2 u2 = u2’ + u2”,

i1 = i1’ + i1”, i2 = i2’ + i2”.

Fale biegnące wprzód (od lewej do prawej) w linii Z1 nazywać będziemy falami padającymi. Są to fale u1’ i i1’. Fale biegnące wstecz (u1”, i1”) to fale odbite od punktu nieciągłości A. W linii Z2 fale biegnące w przód u2’ i i2’ będziemy nazywać falami przepuszczonymi napięcia i prądu.

Współczynnik przepuszczania fali:

$$\alpha = \frac{u_{2}'}{u_{1}'}$$

Współczynnik odbicia:

$$\beta = \frac{u_{1}''}{u_{1}'}$$

1. Omówić przypadek linii zwartej i rozwartej i podać zakresy zmienności współczynników przepuszczania i odbicia fali

Szczególnymi przypadkami układu są: linia rozwarta na końcu (Z2 = ∞) oraz linia zwarta (Z2 = 0).

Z₂ = ∞   α = 2,  β = 1

Z₂ = 0    α = 0,  β = −1